Простейший усилитель напряжения с общим истоком

Опыт исторического развития электронной техники выявил, что наиболее удачным типом активного элемента (электронной лампы, транзистора) является управляемый напряжением источник тока (см. описание компонентов в главе 2).

Простейший транзисторный усилитель напряжения на базе n-канального МДП транзистора с общим истоком (исток входного n-канального МДП транзистора непосредственно соединен с отрицательным источником напряжения) изображен на рис. 3.1. Соответствующие вольтамперные характеристики (ВАХ) изображены на рис. 3.2.

Потенциал на входе усилителя равен сумме постоянной (режимной) составляющей , определяющей режимный ток в усилителе и переменной (сигнальной) составляющей , т.е.

. (3.1а)

Ток в нагрузке также является суммой постоянной и переменной составляющих: . (3.1б)

Очевидно, что при линейной характеристике усилении и шумоподобном входном сигнале, т.е. при нулевом среднем значении параметра , среднее значение переменной составляющей выходного напряжения также равно нулю, и для достижения наибольшего диапазона выходного сигнала, потенциал на выходе (т.е. «рабочая точка») в отсутствие переменного входного сигнала должен быть близким к . Для простейшего усилителя это достигается соответствующими значениями постоянных составляющих и, соответственно, и .

Потенциал верхнего вывода резистора постоянен и равен напряжению положительного питания , поэтому увеличение абсолютного значения вследствие увеличения тока , генерируемого в транзисторе, происходит в сторону отрицательного питания .Поскольку увеличение в простейшем транзисторном усилителе приводит к уменьшению выходного напряжения то усиление в нем всегда происходит с инверсией фазы, т.е. со сдвигом ее на 180⁰. Иллюстрация последнего тезиса приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2: Вольтамперные характеристики транзистора и нагрузочного резистора

Переменное напряжение на нагрузочном резисторе равно, очевидно, произведению . Коэффициент усиления сигнала по напряжению естественно определить как отношение переменного напряжения на резисторе к входному, т.е. , однако, вследствие нелинейности вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, значение будет зависеть от величины . Из курса математики известно, что при достаточно малом (строго говоря, при бесконечно малом) изменении аргумента нелинейной функции (в нашем случае аргументом является ), можно считать, что изменение функции происходит по линейному закону (в нашем случае точность этого утверждения тем больше, чем меньше значение ). Проиллюстрируем это положение для МДП транзистора с квадратичной характеристикой.

Пусть на МДП транзистор (МДПТ) с горизонтальной ВАХ в пологой области с пороговым напряжением к постоянному режимному напряжению добавляется сигнал . В этом случае ток в транзисторе и, соответственно, ток в нагрузочном резисторе определяются выражением: (3.2)

Пусть значение входного сигнала много меньше превышения над порогом , т.е. , тогда . (3.3)

В (3.2) параметр есть крутизна МДП транзистора по затвору

Итак, при (бесконечно) малом переменном сигнале имеем линейную зависимость переменного тока в нагрузке от входного сигнала, т.е. в этом случае усилитель даже в отсутствие каких-либо дополнительных мер (например, отрицательной обратной связи) является линейной системой, и выражение для коэффициента усиления сигнала записывается в виде:

(3.4)

Отметим, что в реальности преимущественный режим усилителей сигнала – это режим малого входного сигнала.